BJT (1) 트랜지스터 BJT 이론 및 바이어스

myblack·2025년 2월 3일

PNP bjt igbt npn 바이어스 트랜지스터

전자회로

목록 보기

6/13

트랜지스터 원리

트랜지스터
1) 스위치(Switch) : 전류를 켜고/끄는 기능
2) 증폭기(Amplifier) : 작은 신호를 크게 만들어줌

BJT의 뜻
Bipolar Junction Transistor
→ 두 종류의 전하(전자·정공)가 이동하는 접합형 트랜지스터

트랜지스터 단자

주단자 : 컬렉터, 에미터, 베이스

컬렉터 : 모으는 단자, 에미터에서 방출한 전자 or 정공 모음
에미터 : 내보내는 단자, NPN에서는 전자, PNP에서는 정공을 캐리어로 방출
베이스 : 전압-전류 특성을 베이스에 전류를 주입함으로써 변화시키는 제어단자

트랜지스터의 전류 : 화살표 방향,
베이스와 에미터 사이에 전류 IB를 흘려주어 그 전류의 양으로 특성 곡선,
IC 변화 (pnp형의 경우 반대 방향)
트랜지스터 소자 양단 전압 : 컬렉터와 에미터 사이에 걸리는 전압 VCE
트랜지스터의 특성 : IC, VCE 두 변수 사이의 전압-전류 간 관계를 의미

NPN과 PNP

콜렉터 단자측으로 전류가 입력되는지, 출력되는지에 따라 분류

입력 신호에 따라 스위칭하고자 하는 경우, NPN형을 통한 이미터 접지.
전원측에서 제어하고자 하는 경우, PNP형을 사용하는 것이 일반적.

NPN형의 캐리어가 전자인 반면, PNP형의 캐리어는 정공

PNP형은 이미터를 정전압, 베이스를 부전압이 되도록 전압을 인가하여,
이미터의 정공을 베이스로 흐르게 합니다. 이때 이미터의 정공 중 일부가 베이스의 전자 (- 전하)와 결합하여 미세한 베이스 전류가 되고, 나머지는 콜렉터로 빠져나가 콜렉터 전류 됨

트랜지스터 특성

동작영역

1. 포화영역

✅ 스위칭 회로에서 ON 상태
조건 : VCE ≈ 0V, IC 가 최댓값

트랜지스터가 완전히 켜진(ON) 상태이며, 컬렉터-이미터 저항이 매우 작음.
스위칭 회로에서 스위치 역할을 할 때 이 영역에서 동작.

포화영역은 베이스-이미터 접합은 순방향이고 베이스-컬렉터 접합 또한 순방향 상태로 Vcc를 점차 증가시켜 Ic가 증가 되는 만큼 증가를 한다.
포화영역은 베이스-컬렉터 전압이 역방향이 될 때인 0.7V가 될 때까지 계속 된다.

2. 활성영역

✅ 증폭기 회로에서 사용되는 영역
조건: VBE > 0.7V , VCE > VBE

트랜지스터가 증폭기(Amplifier)로 동작하며, 작은 베이스 전류 변화가 큰 컬렉터 전류 변화로 증폭됨. 증폭기 설계에서는 동작점을 이 영역에 설정함.
활성영역은 베이스-컬렉터 접합은 역방향, 베이스 컬렉터 접합은 순방향으로 바이어스가 되면서 Ic는 증가하지 않는 영역.
이 영역의 Ic는 Vce에서 전압을 올려도 거의 증가하지 않고 Ib에 따라 Ic가 직류 전류 이득만큼 비율로 조절.

3. 항복영역

항복영역은 베이스-컬렉터 접합이 항복전압을 넘어서는 영역이다. 이 영역에서는 컬렉터 전류가 급격히 증가하기 때문에 파괴가 될 수도 있다.

4. 차단영역

✅ 스위칭 회로에서 OFF 상태
조건: VBE < 0.7V, Ic = 0

트랜지스터가 완전히 꺼진(OFF) 상태이며, 컬렉터 전류가 흐르지 않음.
디지털 회로에서 스위칭 소자로 사용할 때 OFF 상태를 구현하는 영역.

컬렉터 특성 곡선

컬렉터 특성 곡선은 베이스 저항과 컬렉터 저항이 있는 기본 증폭회로에서 베이스에 인가하는 전압을 가변하여 얻어짐

직류 부하선

부하선은 컬렉터 전류(Ic)가 흐르지 않는 Vce 상의 차단점 Vcc에서
Ic가 더 이상 증가하지 않는 포화점까지를 직선으로 연결한 선.

트랜지스터는 부하선을 따라 동작. 따라서 Ic값에 해당하는 Vce는 이 직선상에 있다. 부하선은 컬렉터 회로 저항과 Vcc에 의해 결정되며 트랜지스터 자체에 의해서 결정되는 것은 아니다.

동작점

IB = (VBB - VBE) / RB
IC = βdc * IB
VCE = VCC - ICRC

부하선상에서, 부하 신호의 교류 스윙 동작의 중심이 되는 동작점.
트랜지스터의 컬렉터 전류 IC 및 컬렉터-이미터 전압 VCE가 특정한 직류 값 가짐
바이어스에 의해, 어떤 스윙 동작 범위를 갖도록, 동작점을 설정하게 됨
그렇지 않으면 트랜지스터 동작 일부가 차단 또는 포화되며, 증폭된 신호의 일부가 잘리게 됨
교류 부하선의 Q 점 위치에 따라 적절한 스윙 출력을 얻을 수 있어, 거의 선형적인 증폭 동작이 가능함

전압증폭 원리

바이어스

트랜지스터 바이어스 회로는 트랜지스터가 안정적으로 증폭 동작을 하도록 DC 동작점을 (Q-point) 설정해 주는 회로
바이어스란 어떤 소자나 장치를 동작시키기 위해 인가해주는 전압이나 전류를 말함

선형 동작 : 출력 신호는 입력신호와 같은 모양이나 위상만 반전
비선형 동작 : 출력전압이 차단이나 포화에 의해 제한

요약

고정 바이어스 (베이스 귀환 바이어스)

✅ 가장 간단한 바이어스 방식
✅ 저항 하나만으로 베이스 전류 (I_B)를 공급

컬렉터 전류 변동성을 억제하기 위한, 이미터 전압 귀환
소신호 증폭에 사용, 온도에 따른 증폭률 영향 큼, 찌그러짐 있음

고정 바이어스

자기 바이어스 (컬렉터 귀환 바이어스)

자기 바이어스는 바이어스 전압을 자체적으로 조정할 수 있도록 설계된 바이어스 회로 방식
외부 전원이나 추가적인 바이어스 소스 없이 트랜지스터의 전류 흐름과 저항 값을 이용하여 자동으로 바이어스를 형성

자기 바이어스

전압 분배 바이어스

두 저항 (R1,R2) 에 의해, 전압 분배되는 바이어스 회로
안정도 우수, 주파수 응답 양호, 회로 복잡함

전압분배 바이어스

IGBT

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)는 MOSFET의 높은 입력 임피던스와 BJT의 높은 전류 처리 능력을 결합한 고전력용 스위칭 소자

게이트는 MOS 구조처럼 절연된 산화막(Gate Oxide) 위에 형성되어 있고, MOS 채널을 통해 전류를 제어하며, BJT 영역을 통해 전류를 증폭하여 흐르게 함.
게이트 전압(드레인 전류)에 따라 컬렉터 전류 컨트롤

사용이유

MOSFET : 빠른속도, 작은전류
BJT : 큰 전류, 느린속도
IGBT : 적절한 속도, 큰 전류

스위치 ON (도통)

게이트-이미터 사이에 양의 전압(VGE > VTH) 인가하면
N채널 MOSFET이 턴온 → N+에서 P Body로 전자가 통로 형성
이 통로를 통해 P → N- → P+로 홀 주입이 발생 → BJT처럼 전류 증폭
결과적으로 Collector-Emitter 사이에 큰 전류가 흐름

스위치 OFF (차단)

게이트 전압을 제거하면, MOS 채널이 꺼짐 → 전자 통로 차단
BJT 영역도 베이스 전류가 차단되어 순식간에 꺼짐
단, 홀 소산 지연 때문에 턴오프 속도는 느림 (Tail current 존재)

물리적 구조

레이어	형식	기능
P+ (Collector)	양(+) 도핑	BJT 출력단 역할, 홀 주입 발생
N− (Drift layer)	약한 음 도핑	고전압 차단용, 전압 내성 결정
P (Body)	강한 양 도핑	MOS 채널 형성 영역, 게이트 제어에 반응
N+ (Emitter)	강한 음 도핑	전자 공급원, MOS 채널 형성 후 전자 흐름 시작
Gate (산화막 위)	절연 게이트	전압 인가 시 채널 형성, 전류를 ON/OFF 제어

동작 메커니즘과 물리 구조의 상관관계

게이트에 전압 인가 (VGE > Vth)

산화막 아래 P 영역에 N+와 연결되는 n채널 MOSFET 형성
전자들이 N+ → P 영역으로 이동 가능해짐

BJT 작동 시작 (PNP 구조)

P 영역(Body)으로 유입된 전자가 N- 영역으로 이동하면서 홀 주입 유도
하부 P+ 영역(Collector)로 이어지는 PNP형 전류 흐름 생성
전류 이득 발생 (BJT의 증폭 작용)

드리프트 영역의 역할

고전압을 견디는 핵심 역할
두껍고 도핑 농도가 낮음 → 고내압 확보

특성	설명
고전압 대응력	수백 V ~ 수 kV 수준 (N- 드리프트 층 덕분)
고전류 처리	수십 ~ 수백 A (BJT 구조로 인해)
게이트 드라이브	MOSFET처럼 전압 제어 (입력 전류 거의 없음)
스위칭 속도	빠르지만 MOSFET보다는 느림 (Tail Current 때문)